esperimenti fisica del volo_2010-11.

SCHEDE DEGLI ESPERIMENTI
Laboratorio “Fisica del Volo”
A.A. 2010-11
ESPERIMENTO N.1: Le due bilance e il “downwash”
Materiale:
- 2 bilance
- Un mezzo cilindro di metallo o PVC o un profilo alare
- Una lamina di metallo
- Sostegni
Scopo: Dimostrare che la portanza è una conseguenza della deviazione della direzione dell’aria
come risultato della sua interazione con il profilo alare. La conseguenza di questa deviazione,
che avviene nel primo quarto della corda dell’ala, è il “downwash”, ovvero, lo scarico d’aria
verso il basso generato dall’ala. Si verifica che la portanza misurata dalla bilancia (peso
negativo) è pari alla quantità d’aria raccolta nella seconda bilancia (“downwash”)
Esperimento: Si posizionano le due bilance una accanto all’altra. Su di una si colloca il mezzo
cilindro (o il profilo) su di un asta, e sulla seconda la lamina piatta, facendo attenzione che la
lamina ed il cilindro siano separati. Si procede ad accendere la ventola che provoca il vento, e si
vede che la bilancia con il mezzo cilindro registra un peso minore (esperimenta dunque una
portanza, viene sollevata) mentre l’altra bilancia registra un peso maggiore) pari (entro l’errore
di misura) a quello dell’altra.
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ESPERIMENTO N.2: Misura della pressione lungo la parte superiore di un mezzo
cilindro
Materiale: lo stesso dell’esperimento N.1
Scopo: Misurare il profilo di pressione sopra il mezzo cilindro. Ricavando i valori della
pressione statica punto per punto e dividendo il cilindro in settori rettangolari possiamo ricavare
la forza di portanza che agisce sul cilindro (dall’interazione con il getto d’aria) e verificare
quindi che la portanza è una conseguenza del campo di pressione attorno al cilindro.
Esperimento:
Il cilindro è dotato di forellini che permettono di misurare la pressione punto per punto sulla sua
superficie (usando un manometro differenziale), nella configurazione descritta nell’esperimento
precedente. La portanza è pari all’integrale di queste pressioni su tutta la superficie del cilindro.
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ESPERIMENTO N.3: Dimostrazione della condizione di no slittamento (no-slip condition)
Materiale:
-
Polvere da gesso
Cilindro (lattina d’olio ricoperta di lamina adesiva)
Ventola
Scopo: Dimostrazione del fatto che le particelle di fluido (non le molecole di cui il fluido è
composto!) nello strato a contatto con la superficie solida sulla quale il fluido scorre sono ferme.
Ovvero: quando un fluido scorre ad una certa velocità su una superficie solida, la velocità
relativa tra la superficie e lo strato di fluido a contatto con essa è nulla.
Esperimento:
Si butta un po’ di polvere da gesso su una superficie lucida. Si può appoggiare la mano e
lasciare l’impronta. Si mette il cilindro sotto la ventola e si osserva che la polvere non va via
completamente anche se il flusso d’aria è di 60-70 km/h: l’impronta della mano rimane.
Difatti, le macchine non si puliscono mentre si viaggia, non è nemmeno sufficiente spruzzarle
con acqua (anche qui vale la “no-slip condition”): bisogna strofinarle con un panno per
eliminare tutte le tracce di polvere.
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ESPERIMENTO N.4: Dimostrazione della condizione di no slittamento (no-slip condition)
e della formazione dello strato limite
Materiale:
-
Cilindro di PVC (in alternativa un bicchiere capovolto)
Glicerina (in alternativa miele)
Inchiostro nero o blu
Siringa intradermica
Contenitore di vetro piatto (in alternativa un piatto)
Scopo: Ulteriore dimostrazione della condizione di non slittamento (vedi Esperimento 3). In
questo caso con un liquido vediamo che la parte di fluido a contatto con la superficie solida
viene da questa trascinata alla stessa velocità (quindi la loro velocità relativa è nulla). Inoltre,
visualizziamo la formazione dello strato limite: uno strato di spessore dipendente dal tempo e
nel quale la velocità passa da zero (al confine con la superficie solida) fino al valore della
corrente esterna. Vediamo anche che gli strati di fluido lontani dalla superficie solida che si
muove vengono gradualmente coinvolti nel moto da questa generato tramite gli sforzi di taglio
(e quindi per mezzo della viscosità del fluido) che agiscono tangenzialmente alla superficie ma
si propagano perpendicolarmente alla direzione del flusso.
Esperimento: Riempire il piattino di vetro con glicerina, posizionare il cilindro nel centro e
disegnare con la siringa una sottile riga di inchiostro che colleghi la superficie del cilindro con il
bordo del vetro. Girare lentamente il cilindro e osservare la condizione di no slittamento e la
formazione dello strato limite.
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ESPERIMENTO N.5: Palloncino e getto d’aria: azione-reazione
Materiale:
-
Palloncino
Dinamometro
Filo
Getto d’aria
Scopo: L’obiettivo di questo esperimento è dimostrare che quando un fluido in movimento
interagisce con una superficie solida si generano delle forze su quest’ultima1.
Esperimento: Attaccare un dinamometro con un filo ad un palloncino e tenendolo liberamente
sospeso nel getto d’aria misurare la forza con la quale il palloncino viene attirato verso il getto.
Attenzione: E’ fondamentale ribadire quando si procede con questo esperimento che il suo
obiettivo è dimostrare
DEVIAZIONE DI FLUSSO D’ARIA = FORZA RISULTANTE
Più avanti si sfrutterà questo fatto per spiegare che una profilo alare (indipendentemente
dalla sua curvatura) devia il flusso d’aria che incontra (e quindi lo rende asimmetrico sopra e
sotto l’ala) ed è questo che genera la forza di portanza. Ricordiamo che il getto è comodo per
fare svariati esperimenti in laboratorio ma che gli aeroplani NON volano in getti d’aria.
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Durante il percorso emerge che l’interazione può avvenire tramite la pressione (forze perpendicolari alla superficie)
e/o tramite gli sforzi di taglio (forze tangenti alla superficie). La risultante di questi due meccanismi di interazione
fluido-solido è la forza misurata con il dinamometro
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ESPERIMENTO N.6: Misura del profilo di pressione lungo un profilo alare
Materiale:
-
Profilo alare con prese di pressione statica lungo la sua superficie
Multi-manometro a U
Scopo: Mostrare qualitativamente il campo di pressione su un profilo alare. Vedere che:
i) il massimo della portanza (minimo di pressione) corrisponde al primo quarto della corda
dell’ala
ii) il massimo della pressione corrisponde al punto di ristagno (dove la velocità del flusso va a
zero e si misura la pressione totale)
iii) il punto di ristagno si trova:
-
Nel bordo di attacco dell’ala se il profilo è simmetrico e ad angolo di attacco nullo (portanza
nulla) o se è asimmetrico ad angolo di attacco nullo (portanza positiva)
-
Sotto il bordo di attacco dell’ala se il profilo e simmetrico o asimmetrico e ad angolo di
attacco positivo (portanza positiva)
-
Sopra il bordo di attacco dell’ala se il profilo e simmetrico o asimmetrico e ad angolo di
attacco negativo (portanza negativa o deportanza)
iv) La pressione sopra l’ala passa da un massimo (al punto di ristagno), per un minimo (primo
quarto della corda dell’ala) fino ad una pressione di nuovo maggiore (verso il bordo di uscita
dell’ala) e sempre più vicina alla pressione atmosferica. Sotto l’ala la pressione varia molto
meno ed è comunque molto più vicina alla pressione atmosferica. C’è una differenza netta tra il
campo di pressione sotto e sopra l’ala
v) Il campo di pressione cambia lungo il profilo dell’ala e questo spiega che l’aria acceleri nel
primo quarto dell’ala (dove la pressione è minore) e deceleri verso il bordo di uscita (dove la
pressione aumenta) perche l’aria accelera se trova una pressione minore a valle, e decelera se
viaggia contro una pressione avversa (maggiore) come avviene verso il bordo di uscita dell’ala.
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vi) Se l’angolo di attacco aumenta oltre un certo limite, osserviamo che la portanza crolla
mentre la pressione nel primo quarto dell’ala aumenta (diventa vicina alla atmosferica); questo
mostra lo stallo (distacco dello strato limite) e si può spiegare dopo aver fatto le considerazioni
elencate sopra. Aumentando l’angolo di attacco aumenta la pressione verso il bordo di uscita: di
conseguenza l’aria, trovando a valle una pressione maggiore torna indietro (verso la zona di
pressione minore) e questo provoca il suo distacco dalla superficie e quindi lo stallo (perdita di
portanza)
Esperimento: Si posiziona il profilo alare su un supporto e su una bilancia azzerando il tutto. Si
attacca ciascuno dei tubicini di plastica ai corrispondenti tubi del multi-manometro a U e si
posiziona il profilo di fronte al getto d’aria. Si osserva che la bilancia segna un peso negativo
(portanza). Sul manometro a U si osserva il campo di pressione lungo la superficie del profilo e
si può osservare lo stallo, il ruolo dell’angolo di attacco, della velocità del vento, ecc.
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